Arquitectura de un computador

Introducción

Este trabajo tiene como objetivo recopilar una gran variedad de Información respecto a la arquitectura del computador. Todo ello, tiene fines educativos y no se debe lucrar con ellos.

Asimismo, no afirmo que abarque todo, será en general para el conocimiento básico de este tema.

Por otro lado, es una forma de ayudar a las personas que estudian está carrera, ya que en tiempos de desinformación, es vital informarse de manera correcta. 

No duden de las fuentes que voy a consultar, todo esto ya lo comprobé y bueno, espero aprecien mi trabajo para sus conocimientos.

Desarrollo

Arquitectura de computadoras. Es el diseño conceptual y la estructura operacional fundamental de un sistema de computadora. Es decir, es un modelo y una descripción funcional de los requerimientos y las implementaciones de diseño para varias partes de una computadora, con especial interés en la forma en que la unidad central de proceso (UCP) trabaja internamente y accede a las direcciones de memoria.

También suele definirse como la forma de seleccionar e interconectar componentes de hardware para crear computadoras según los requerimientos de funcionalidad, rendimiento y costo

El ordenador recibe y envía la información a través de los periféricos por medio de los canales. La UCP es la encargada de procesar la información que le llega al ordenador. El intercambio de información se tiene que hacer con los periféricos y la UCP.

Todas aquellas unidades de un sistema exceptuando la UCP se denomina periférico, por lo que el ordenador tiene dos partes bien diferenciadas, que son: la UCP (encargada de ejecutar programas y que esta compuesta por la memoria principal, la UAL y la UC) y los periféricos (que pueden ser de entrada, salida, entrada-salida y comunicaciones).

El procesador

Es el cerebro del sistema, encargado de procesar todos los datos e informaciones. A pesar de que es un dispositivo muy sofisticado no puede llegar a hacer nada por sí solo. Para hacer funcionar a este necesitamos algunos componentes más como lo son memorias, unidades de disco, dispositivos de entrada/salida y los programas. El procesador o núcleo central está formado por millones de transistores y componentes electrónicos de un tamaño microscópico. El procesamiento de las tareas o eventos que este realiza va en función de los nanosegundos, haciendo que los miles de transistores que contiene este trabajen en el orden de los MHz. La información binaria se introduce mediante dispositivos periféricos que sirven de interfaz entre el mundo exterior con el usuario. Estos periféricos lo que van a hacer será traducir la información que el usuario introduce en señales eléctricas, que serán interpretadas como unos y ceros, los cuales son interpretados de una manera más rápida por la computadora, ya que el lenguaje maquina utiliza el código binario para ser interpretado por el computador.

Un sistema jerárquico es un conjunto de sistemas interrelacionados, cada uno de los cuales se organiza de manera jerárquica, uno tras otro, hasta que alcanza el nivel más bajo de subsistema elemental. Una posible clasificación seria:

1. Nivel de componente

2.Nivel electrónico

3. Nivel digital

4. Nivel RTL

5. Nivel PMS

Arquitectura Clásica de un Computador Modelo Von Neumann

La arquitectura Von Neumann tiene sus orígenes en el trabajo del matemático John Von Neumann desarrollado con John Mauchly y John P. Eckert y divulgado en 1945 en la Moore School de la Universidad de Pensilvania, Estados Unidos, en el que se presentaba e EDVAC ( Electronic Discrete Variable Automatic Computer). De aquí surgió la arquitectura del programa almacena en memoria y búsqueda/ejecución secuencial de instrucciones. En términos generales una computadora tiene que realizar 3 funciones

Procesador de datos

Almacenamiento de datos

Transferencia de datos

Tal que un PC (Personal Computer) debe procesar datos, transformando la información recibida, de igual forma tiene que almacenar datos, como resultado final de estas. También debe de realizar transferencia de datos entre su entorno y el mismo. La arquitectura de un computador hace referencia a la organización de sus elementos en módulos con una funcionabilidad definida y a la iteración entre ellos. En el esquema de la Figura 1.1 se muestra la estructura básica de Von Neumann que debe llevar una computadora para su correcta operación.

ESTRUCTURA BÁSICA DE UNA COMPUTADORA

CPU

CPU (por el acrónimo en inglés de central processing unit) : La unidad central de proceso es el corazón del computador. Controla el flujo de datos, los procesa, y gobierna el secuenciamiento de las acciones en todo el sistema. Para ello necesita un oscilador externo o reloj que sincroniza las operaciones y marca la velocidad de proceso, este va marcando la evolución del CPU y mide su velocidad de funcionamiento; en forma no afortunada la frecuencia del reloj del CPU viene limitada por la tecnología del CPU y del computador completo ya dependiendo de los periféricos, sus tarjetas graficas, memorias, etc. Por lo tanto, el uso excesivo de los recursos que tenga la computadora puede resultar un sobrecalentamiento que deteriore parcial o totalmente la CPU.

Entrada/Salida: transfiere datos entre el entorno exterior y el computador. En él se encuentran los controladores de periféricos que forman la interfaz entre los periféricos, la memoria y el procesador.

Memoria: es la responsable del almacenamiento de datos.

Sistema de interconexión: Buses; es el mecanismo que permite el flujo de datos entre la CPU, la memoria y los módulos de entrada/salida. Aquí se propagan las señales eléctricas que son interpretadas como unos y ceros lógicos

Periféricos: estos dispositivos son los que permiten la entrada de datos al computador, y la salida de información una vez procesada. Un grupo de periféricos puede entenderse como un conjunto de transductores entre la información física externa y la información binaria interpretable por el computador. Ejemplos de estos dispositivos son el teclado, el monitor, el ratón, el disco duro y las tarjetas de red.

ESTRUCTURA DE LA CPU Y SU CONEXIÓN CON LA MEMORIA

Unidad de Control (UC): La unidad de control se encarga de leer de la memoria las instrucciones que debe de ejecutar y de secuenciar el acceso a los datos y operaciones a realizar por la unidad de proceso. La UC genera las señales de control que establecen el flujo de datos en todo el computador e interno en la CPU. Una instrucción no es más que una combinación de unos y ceros. Consta de un código de operaciones binarias para ejecutar la instrucción, la UC la almacena en un registro especial, interpreta su código de operación y ejecuta la secuencia de acciones adecuada, en pocas palabras decodifica la instrucción.

Unidad Aritmética Lógica o ALU (por su acrónimo en ingles Arithmetic Logic Unit): Es la parte de la CPU encargada de realizar las transformaciones de los datos. Gobernada por la UC, la ALU consta de una serie de módulos que realizan operaciones aritméticas y lógicas. La UC se encarga de seleccionar la operación a realizar habilitando los caminos de datos entre los diversos operadores de la ALU y entre los registros internos.

Registros Internos: el almacenamiento de los resultados a la ejecución de las instrucciones en la memoria principal podría ser lento y excesivamente tendría muchos datos en el sistema de interconexión con la memoria, con lo que el rendimiento bajaría. De la misma manera también se almacenan en registros internos la configuración interna del CPU o la información durante la última operación de la ALU. Los principales registros de un CPU son:

1-Contador de programa.- se encarga de almacenar la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar.

2-Registro de Instrucción.- se almacena la instrucción capturado en memoria y la que se está ejecutando.

3-Registro de Estado.- compuesto por una serie de bits que informan el resultado obtenido en la última operación de la ALU.

4-Registro Acumulador.- algunos CPU’s realizan operaciones aritméticas en un registro llamado acumulador, su función es la de almacenar los resultados de las operaciones aritméticas y lógicas.

Sistema de interconexión: buses

La conexión de los diversos componentes de una computadora, tales como discos duros, tarjetas madres, unidades de CD, teclados, ratones, etc. se efectúan a través de los buses. Un bus se define como un enlace de comunicación compartido que usa múltiples cables para conectar subsistemas. Cada línea es capaz de transmitir una tensión eléctrica que representa un ‘1’ o un ‘0’. Cuando hay varios dispositivos en el mismo bus, habrá uno que podrá enviar una señal que será procesada por los demás módulos. Si se mandan los datos al mismo tiempo marcara un error o una contención del bus, por lo que el acceso estará denegado. Según si criterio de funcionabilidad los buses se dividen en:

Buses de datos: es el que se utiliza para transmitir datos entre los diferentes dispositivos del computador.

Buses de Direcciones: sirve para indicar la posición del dato que se requiere acceder.

Bus de Control: sirven para seleccionar al emisor y al receptor en una transacción del bus.

Bus de alimentación: sirve para proporcionar a los dispositivos voltajes distintos.

Circuitos de memoria

El almacenamiento de la información se hace a través de dispositivos de memoria que almacenan la información de forma binaria para después tener la posibilidad de recuperar dichos datos. Estos contribuyen una jerarquía en la que están más cerca de la CPU los dispositivos más rápidos y en niveles más alejados los dispositivos más lentos. Los parámetros más importantes para medir los circuitos de memoria son:

Tiempo de Acceso: es el tiempo necesario para poder recuperar la información de los dispositivos de memoria.

Densidad de información: depende de la tecnología utilizada ya que ocupan un espacio distinto por cada bit de información.

Volatilidad: se refiere a la pérdida de información si no se mantiene en alimentación al circuito, esta información debe de recuperarse de forma automática cuando se conecte de nuevo la alimentación y comience el funcionamiento de la computadora.

RAM estática asíncrona

Es una memoria volátil, de acceso rápido que puede almacenar y leer información su característica es que la hace ideal para ser memoria principal en los ordenadores, la celda de almacenamiento de la SRAM contiene 4 transistores MOS que almacenan 1 y 0 mientras se mantenga la alimentación del circuito.

RAM estática síncrona

Es la misma tecnología que las SRAM, con lo que son volátiles y de rápido acceso. La diferencia es que existe una señal de reloj que sincroniza el proceso de lectura y escritura. Las memorias cache externas de algunos microprocesadores son de este tipo para facilitar el acceso de datos en modo ráfaga y acelerar el proceso de acceso a bloques de memoria.

RAM dinámica

La DRAM tiene capacidades que accede con un solo transistor, en vez de celdas con varios transistores. El problema es que las capacidades se descargan mediante la corriente de pérdidas de transistores y aparte son lentas comparadas con la SRAM; tienen una estructura de forma de matriz, estando multiplexadas las direcciones en forma de filas y columnas, tienen modos de acceso más rápido en lo que suministra la parte alta de dirección; este modo de acceso se denomina modo pagina y acelera el acceso al no tener que suministrar para cada acceso la dirección de página completa.

Memorias ROM

Las memorias de solo lectura una vez que han sido escritas o programadas solo se puede leer el contenido de las celdas, se suelen utilizar para almacenar el código que permite arrancar a los sistemas; estas se fabrican para aplicaciones masivas con mascaras de silicio. Hay 3 tips de memorias ROM que pueden ser programadas en el laboratorio, algunas pueden ser borradas.

Memoria PROM: son memorias ROM programables eléctricamente mediante un programador especial que genera picos de alta tensión, que funden físicamente unos fusibles grabando en el dispositivo de forma permanente. Tienen el inconveniente que no pueden ser borradas y para su lectura requieren una tarjeta especial.

Memoria EPROM: se programan también con un dispositivo de programación conectado al ordenador la diferencia con la PROM es que estas si se pueden borrar; se realiza mediante rayos UV, para que suceda esto las EPROM tienen una ventana de cuarzo pequeña transparente en la cual se hace la exposición de la matriz de celdas como se muestra en la figura 1.6. Una vez programadas se tiene que etiquetar esta ventana para evitar que sea borrada accidentalmente.

Memoria EEPROM: son memorias programables y borrables mediante un dispositivo especial que se conectara al ordenador.

Memoria flash.

Son memorias que tienen un comportamiento igual a una SRAM, pero en su escritura es diferente, deben ser primero borradas y después escritas; este tipo de memorias tienen internamente un registro de instrucción y una máquina de estados que genera las señales necesarias para borrar/escribir en un bloque o en toda la memoria.

LA PLACA BASE

Es el componente principal, por lo tanto este se tiene que escoger con el más sumo cuidado para que el ordenador tenga una calidad excelente al igual que su rendimiento en la ejecución de tareas. Al comprar la placa base debemos ver qué tipo de procesador soporta, si posee slots de expansión suficientes para los periféricos que deseemos instalar. Una placa se confecciona usando una técnica llamada MPCB( Multiple Layer Contact Board), que consiste en varias placas apiladas como si fueran una; este tipo de placas deben ser fabricadas de forma minuciosa, pues un mínimo error en la posición de las pistas, haría que sufriese interferencias y convertirán a la placa en inestable. La calidad de las placas no depende precisamente de la marca pero si nos debemos cerciorar de la marca que estamos adquiriendo, ya que, para encontrar controladores de los dispositivos de dicha placa será más fácil entrando a la página del fabricante.

Tarjeta de sonido

La tarjeta de sonido es un dispositivo que se conecta a la placa base del ordenador, o que puede ir integrada en la misma. Reproduce música, voz o cualquier señal de audio. A la tarjeta de sonido se pueden conectar altavoces, auriculares, micrófonos, instrumentos, etc.

Tarjeta de vídeo

La tarjeta gráfica o tarjeta de vídeo de un componente que viene integrado en la placa base del PC o se instala a parte para ampliar sus capacidades. Concretamente, esta tarjeta está dedicada al procesamiento de datos relacionados con el vídeo y las imágenes que se están reproduciendo en el ordenador.

Disco duro

Es una unidad de hardware que se usa para almacenar contenido y datos digitales en las computadoras.

Fuentes :

https://youtu.be/37Dq6NIbxS4

https://youtu.be/eqfgNTXKkEk

https://youtu.be/-akEec5GTX8